西藏日喀则市垃圾填埋场甲烷产量预测及资源化利用研究

周鹏，周文武，穷达卓玛，汪晶，李扬，旦增

（西藏大学理学院，西藏拉萨市850000）

伴随着城市化的快速发展，我国城市生活垃圾处理已成为我国经济发展面临的又一个突出问题[1]。相关研究表明：近几年我国城市生活垃圾的产生量正以5%～10%的速度逐年递增[2]，截至2016年底，我国城市生活垃圾年产生量已达2.15亿t，约占世界生活垃圾总产量的1/4[3]。而垃圾填埋处理方式因其建设、运营和管理成本低，对进场垃圾要求低以及操作方便等原因在我国被广泛应用[4]，截至2016年底，我国城市生活垃圾的61.7%主要以卫生填埋的方式进行处理[5]。垃圾填埋场在投入运营期间产生的垃圾渗滤液和填埋气体等对周边环境造成较高的二次污染风险。如填埋气体，其主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）：（1）CH4的温室效应影响是CO2的21倍，将对全球气候造成不利影响[6-8]；（2）甲烷是易燃气体，当其在空气中体积分数达到 5%～15% 时，极易发生爆炸[9，10]；（3）填埋气体中的挥发性有机化合物毒性较大，对附近居民的健康具有较高的危害性；（4）填埋气体会迁移至土壤，造成植物根系缺氧，影响植物生长等[9，10]。同时，填埋气体也可以作为一种清洁的可再生能源利用，研究表明：CH4在填埋气中占 45%～50%，总发热量可达40020 kJ/m3，是一种利用价值较高的清洁燃料[11，12]。

西藏作为我国国家重要生态安全屏障,其生态环境建设和保护一直备受关注[13]。然而，由于西藏地广人稀、乡镇间距甚远的特点，生活垃圾运输、处理和管理不利，致使西藏地区城镇生活垃圾主要以填埋方式进行处理处置[14]，覆盖全区七地（市）各县。据西藏自治区住建厅相关统计资料，西藏地区已建设运营了104座生活垃圾卫生填埋场。通过对日喀则市生活垃圾填埋场甲烷产生量进行预测评估，探究其综合利用方式，可减少废气排放，营造良好的区域生态环境；可节约资源、提高资源利用率，对城市垃圾资源化利用具有重要意义，也是减少温室气体的有效途径。

1 填埋场概况

日喀则市垃圾填埋场所在区域属高原温带半干旱气候，年均降雨量为439 mm，年均蒸发量为2448 mm，年均日照时间为3233 h。填埋场位于距日喀则市城南办事处曲夏居委会多林沟内，地理坐标为东经：88°55′18.23″—88°55′35.16″，北纬：29°17′55.37″—29°18′16.63″，海拔约 3860 m。该垃圾填埋场采用分区、分格堆置法，垃圾进场先经计算称重后，按预先划好的区、格卸下，再用推土机将其推平摊铺均匀，垃圾压实机压实后覆土。其总库区面积约15万m2。由于日喀则市人口数量少（2000年建场，2010年约16.4万人），垃圾收集、运输机械化程度低，初期建设库容量约为125万m3，垃圾日处理量为155 t左右；随着日喀则市的经济发展、机械化程度的提高以及卫生配套设施的完善，垃圾收运效率将会有很大提高，此外，预计2010年日喀则市总人口数量将达到25万人，因此，2012年场区进行了改扩建工程，扩建库容量达到了215万m3，垃圾日处理量为267 t左右，2020年投入运营，设计使用年限为20年。

2 生活垃圾组分及产生量

2.1 生活垃圾组分

由于目前对日喀则市生活垃圾组分调查分析的研究较少，日喀则作为西藏自治区第二大城市（拉萨为西藏自治区首府），两者生活水平、饮食结构以及经济结构等相差不大，因此，借鉴、引用旦增等教授[15]“西藏拉萨市市区生活垃圾物理特性分析”的研究结果为文中的分析评估依据，其组分详细见表1。

表1 拉萨市生活垃圾组分表 %

2.2 生活垃圾产生量（估算）

依据西藏日喀则市生活垃圾填埋场一期和二期工程环境影响评价文件以及第五次和第六次全国人口普查数据：2000年日喀则市常住人口约10万人；2010年约17万人；2020年约50万人；2010年日喀则市区垃圾产生量约194 t/d，清运量约155 t/d；2020年垃圾产生量约295 t/d，清运量约267 t/d，此外，日喀则市生活垃圾填埋场也是附近部分县域生活垃圾倾倒场。结合填埋场实际进场垃圾量，期间生活垃圾清运量变化如表2所示。

表2 日喀则市生活垃圾填埋场进场垃圾量预测

3 研究方法及数据来源

目前国内外关于填埋场CH4排放量的计算模型主要有动力学模型（包括Gardner动力学模型和Marticoren动力学模型）[16]和统计模型（包括IPCC模型、化学计量式模型）[16]两种类型[17]。IPCC模型是联合国政府间气候变化委员会《国家温室气体排放清单》中提出的填埋气产生量估算模型[18]，用于计算某一垃圾统计量最终产生的甲烷总量。其评价模型如下：

式中：Q 为第 t年产生的 CH4量，m3/a；DOC（t）为某年可降解有机碳。

刘桐武等[19]对中国城市生活垃圾中可降解有机碳成分进行了相关研究，将我国垃圾降解有机碳分为5类：厨余垃圾（A）、纸类（B）、织物（C）、竹木（D）、灰渣（E），计算公式如下：

此外，参考国内相关研究，取值0.09；其他相关参数见表3。

表3 IPCC一阶衰减模型参数的意义及取值方法

4 结果与讨论

4.1 甲烷产生量预测结果

依照IPCC预测模型，对日喀则市垃圾填埋场自封场后甲烷产生量进行了预测评估，结果如表4所示。

表4 甲烷产生量变化趋势

结果表明：日喀则市垃圾填埋场在2020年封场之后，其甲烷气体的产气量缓慢下降，2021年产气量为387.49 m3/h，今后10年其平均产气量为225.286万m3/a。

4.2 甲烷的回收价值及效益评估

（1）填埋气体中甲烷的能源效益评估，首先应通过相关模型计算其是否具有回收利用价值。其主要依据为甲烷导致的温室效应是CO2的21倍，可以通过计算甲烷收集、回收利用后可获得的CO2减排量（以CO2当量计）来衡量其利用价值大小，其计算公式如下[18，23，24]：

式中：TAvail·CO2eq为总减排量，以 CO2当量吨数计；AF 为调整因子（本研究为0%）；%VOL为甲烷在填埋气中所占的百分比；QAvail为填埋气总量；ρCH4为甲烷密度，0.0007168 t/m3。

由于降水、温度等因素导致甲烷实际收集量一般小于理论收集量，一般实际收集率在40%～60%，文中取值60%。结果表明：以2021年为研究基准年，甲烷焚烧利用，可使得当年CO2排放量减少729.6 t；自2021—2030年，CO2排放量减少 4844 t。

（2）相关研究表明：垃圾填埋场填埋气体的热值约为18 MJ/m3（甲烷体积分数为50%），则1 m3填埋气体的热能相当于1.5 kW·h电能[25]。日喀则市生活垃圾填埋场填埋气体经焚烧发电产生的电能见表5。

表5 日喀则垃圾填埋场填埋气体发电能力预测

结果表明：理论上近10年内，日喀则市垃圾填埋场填埋气体经焚烧发电可产生231.45 kW/h的电能。但是，由于填埋场整体产气量较少，发电机组的负荷较低，因此，日喀则市垃圾填埋场不适宜进行填埋气发电项目，需要采用其他方式收集和处理填埋气体。

5 结论与建议

5.1 结论

通过对日喀则市垃圾填埋场填埋气体排放量进行预测评估，得出以下结论。

（1）日喀则市垃圾填埋场自封场后填埋气体产生量将逐年减少，近10年产气量约2252.86万m3，平均产气量为225.286万m3/a。

（2）日喀则市垃圾填埋场填埋气体经焚烧后可减少CO2排放量约4844 t（以CO2当量计），对减少温室气体的排放、营造良好的气候环境具有重要意义。

（3）经评估分析，西藏日喀则市垃圾填埋场填埋气体不适宜进行焚烧发电，其甲烷气体产生量不能满足发电机组工作负荷，需采取其他处理方式。

5.2 建议

通过查阅相关文献资料发现，垃圾填埋场填埋气的利用方式主要有：甲烷燃烧发电将其转换成电能；甲烷和燃煤联合发电；直接用作锅炉、窑炉等的加热燃料；净化后与城市天然气/煤气混合作民用燃料；净化和压缩后作为汽车燃料；作化工材料、燃料电池等利用方式[26-28]。其中心理念为收集回收利用甲烷气体，提高资源利用率，降低填埋气体及其他成分造成的大气环境污染。结合文中预测评价结果、日喀则垃圾填埋场现状及环保理念，建议日喀则市垃圾填埋场填埋气体采用火炬焚烧的方式进行处理，以减少大部分甲烷对环境的影响。